直流伺服电机教学内容
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直流伺服电机专题讲解(最新版)
得
为特性曲线的斜率； 为由负载阻转矩决定的常数。
30
调节特性为一上翘的直线。
Ua0 –始动电压 K1 – 特性斜率
图1-4 直流伺服电动机的调节特性
31
（1） Ua0和k1的物理意义
•
始动电压Ua0： Ua0是电动机处在待动而又未动临界
状态时的控制电压。
由
，当n=0时，便可求得
由于
，即负载转矩越大，始动电压越高。而且控制
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
7
二、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
–
S
换向片
直流电源
电刷
换向器
线圈
8
电刷
+ U
F N
I
F I
–
S
换向片
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。
Te=TL+ T0
23
1.2.2 运行特性
•伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。
1. 机械特性
机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁
转矩之间的函数关系，即
。
把
代入式
得
,为理想空载转速；
,为直线的斜率。
24
1.2.2 运行特性
机械特性为一直线 n0 -- 理想空载转速 TK-- 堵转转矩 k Δn --直线斜率
控制电机第一章直流伺服电机1原理与运行特性详解
C e
Te Ra
CeCt 2
n0
kTe
n0 - 理想空载转速 Tk - 堵转转矩 k Δn - 直线斜率
ΔT
直流伺服电动机的机械特性 理想空载转速n0：n0是电磁转矩Te=0时的转速，由于电 机空载时Te= T0，电机的空载转速低于理想空载转速。
堵转转矩Tk ：Tk 是转速n=0时的电磁转矩。
1.2利.1 用直电流刷伺、服换电向机器的来主保要持结同构一磁极下的电枢导体电流方 向不变，从主而磁产极生持续转动力矩。 换向磁极 风扇 主磁极 极靴
定子 电刷装置 机座
端盖
电枢铁心
电枢绕组
转子 换向器
转轴 轴承
机座 电枢铁芯 电枢绕组 换向器
1.2 直流伺服电动机的原理
直流伺服电动机的磁场
空 载 磁 势
Tem
pN
2a
I a
CT I a
pN
其中，CT 2a 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce
制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比！！
1.2 直流伺服电动机的原理
(3) 直流伺服电机的电磁功率(Pem)
电磁转矩与转子角速度的乘积，它反映了直流电机经过气隙所传递的
功率。
Pem
Tem
1.2 直流伺服电动机的原理
1.2.3 直流伺服电机的基本方程
(1) 电压平衡方程
直流电动机的暂态等效电路
电压暂态平衡方程：
U a
ea (t)
Raia (t)
La
dia (t) dt
U
f
Rf if (t) Lf
dif (t) dt
电压稳态平衡方程：
U a Ea Ra I a U f R f I f
Te Ra
CeCt 2
n0
kTe
n0 - 理想空载转速 Tk - 堵转转矩 k Δn - 直线斜率
ΔT
直流伺服电动机的机械特性 理想空载转速n0：n0是电磁转矩Te=0时的转速，由于电 机空载时Te= T0，电机的空载转速低于理想空载转速。
堵转转矩Tk ：Tk 是转速n=0时的电磁转矩。
1.2利.1 用直电流刷伺、服换电向机器的来主保要持结同构一磁极下的电枢导体电流方 向不变，从主而磁产极生持续转动力矩。 换向磁极 风扇 主磁极 极靴
定子 电刷装置 机座
端盖
电枢铁心
电枢绕组
转子 换向器
转轴 轴承
机座 电枢铁芯 电枢绕组 换向器
1.2 直流伺服电动机的原理
直流伺服电动机的磁场
空 载 磁 势
Tem
pN
2a
I a
CT I a
pN
其中，CT 2a 为电机的转矩常数，有 CT 9.55Ce
制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比！！
1.2 直流伺服电动机的原理
(3) 直流伺服电机的电磁功率(Pem)
电磁转矩与转子角速度的乘积，它反映了直流电机经过气隙所传递的
功率。
Pem
Tem
1.2 直流伺服电动机的原理
1.2.3 直流伺服电机的基本方程
(1) 电压平衡方程
直流电动机的暂态等效电路
电压暂态平衡方程：
U a
ea (t)
Raia (t)
La
dia (t) dt
U
f
Rf if (t) Lf
dif (t) dt
电压稳态平衡方程：
U a Ea Ra I a U f R f I f
第一章-直流伺服电机
图1-1 电枢控制原理图
控制方式
2．磁场控制
电枢绕组电压保持不变，变化励磁回路旳电压。若电 动机旳负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流 增长，主磁通增长，电机转速就降低；反之，转速升 高。变化励磁电压旳极性，电机转向随之变化。 尽管磁场控制也可到达控制转速大小和旋转方向旳目 旳，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且伴随 励磁电压旳减小其机械特征变软，调整特征也是非线 性旳，故少用。
1.2.2 运营特征
（2）电枢电压对机械特征旳影响
n0和Tk都与电枢电压成正比，而斜率k则与电枢电压无关。 相应于不同旳电枢电压能够得到一组相互平行旳机械特征曲线。
直流伺服电动机由放大器供电时， 放大器能够等效为一种电动势源 与其内阻串联。内阻使直流伺服 电动机旳机械特征变软。
图 1-3 不同控制电压时旳机械特征
较小、 电枢电阻 Ra 较大、转动惯量 J 较大
时是这种情况。
图1-6 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
(2)
当
4 e
m
时，由
p1，.2
1 2 e
1
1 4 e m
， p1 和
p2
两根是共轭复数。
在过渡过程中，转速和电流随时间旳变化是周期性旳。
由e
La Ra
和m
2JRa 60CeCt
2
可知，电枢
电感 La 较大、 电枢电阻 Ra 较小、转动
惯量 J 较小时，就会出现这种振荡现象。
图1-7 在 4 e m 时, n、ia 旳过渡过程
过渡过程曲线
⑶ 当4 e m 时（多数情况满足这一条件）， e 很小能够忽视不计。
于是式
m e
控制电机第三章 直流伺服电动机_OK
向电流。电路需
改进。
35
I a3
2.反接制动工作状态
适用情况：驱动电机反转
原因：本身和负载的转动惯
量，n1维持不变。
U a 2
工作特点：
（1）既非发电机，又非电动机。
（2）Ia3很大（设计放大器时必须考虑的问题）。
（3）T很大，制动转速。
（4）吸收电能，又吸收机械能——电机电枢铜耗。
36
3.动能制动工作状态
突变：U a1
U a2
U a 2 Ea1 I a 2 Ra
当 U a2
时，
Ia2
Ea1 为负。
Ia2
U a2
T为制动转矩，电机处于发电机状
态。当Ea1下降到比Ua2小时，电
机将回到电动机状态。
发电机状态加快了电机转速的衰减过程，提高了系统快速性。
34
U a2
实际电路中晶闸
管供电不允许反
措施：采用低速性能好的直流力矩电动机和低惯量直流电
动机。
30
由调节特性可知：
（1） 一定负载转矩下，当磁通不变时，Ua n。
（2） Ua=0时，电机立即停转，无自传现象。
（3）电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
（4）低速工作不稳定。
机械特性和调节特性的比较
31
4 过渡过程的运行状态
l
I a
Dl
2a 2 2a
T CT I a kT I a
转矩系数kT
11
➢电磁转矩和转矩平衡方程
电磁转矩
T CT I a
稳态转矩平衡方程
T2 T T0 TL
Ts T0 TL
Ts T
动态转矩平衡方程
改进。
35
I a3
2.反接制动工作状态
适用情况：驱动电机反转
原因：本身和负载的转动惯
量，n1维持不变。
U a 2
工作特点：
（1）既非发电机，又非电动机。
（2）Ia3很大（设计放大器时必须考虑的问题）。
（3）T很大，制动转速。
（4）吸收电能，又吸收机械能——电机电枢铜耗。
36
3.动能制动工作状态
突变：U a1
U a2
U a 2 Ea1 I a 2 Ra
当 U a2
时，
Ia2
Ea1 为负。
Ia2
U a2
T为制动转矩，电机处于发电机状
态。当Ea1下降到比Ua2小时，电
机将回到电动机状态。
发电机状态加快了电机转速的衰减过程，提高了系统快速性。
34
U a2
实际电路中晶闸
管供电不允许反
措施：采用低速性能好的直流力矩电动机和低惯量直流电
动机。
30
由调节特性可知：
（1） 一定负载转矩下，当磁通不变时，Ua n。
（2） Ua=0时，电机立即停转，无自传现象。
（3）电动机反转：改变电枢电压的极性，电动机反转。
（4）低速工作不稳定。
机械特性和调节特性的比较
31
4 过渡过程的运行状态
l
I a
Dl
2a 2 2a
T CT I a kT I a
转矩系数kT
11
➢电磁转矩和转矩平衡方程
电磁转矩
T CT I a
稳态转矩平衡方程
T2 T T0 TL
Ts T0 TL
Ts T
动态转矩平衡方程
第6章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
根据转矩平衡方程式，当负载转矩不变时，电磁
转矩T=CTΦIa不变；又If不变，Φ不变，所以电枢电流Ia 也不变。再由电动机电压平衡方程式Ea=Ua-IaRa可以看
出，由于IaRa不变，感应电势Ea将随Ua的降低而减小；
又Φ不变，故转速要相应减小。若电压改变后的感应电 势、转速、 电流用Ea′、n′、Ia′表示，则Ua′=55 V时的
第6章 直流伺服电动机
第6章 直流伺服电动机
1 直流电动机的工作原理 2 电磁转矩和转矩平衡方程式
3 直流电动机的反电势和电压平衡方程式
4 直流电动机的使用 5 直流伺服电动机及其控制方法 6 直流伺服电动机的稳态特性
第6章 直流伺服电动机
7 直流伺服电动机在过渡过程中的工作状态 8 直流伺服电动机的过渡过程
的方向一致时， 数值为正； 反之， 数值为负。
第6章 直流伺服电动机
由于现在主要研究电机的工作状态， 为了分析简 便， 可先不考虑放大器的内阻， 这时电枢回路的电压 平衡方程式为 Ua1 =Ea1 +Ia1 Ra 式中, Ua1 >Ea1 。
第6章 直流伺服电动机
负载为常数时的调节特性
仍以直流电动机带动天线旋转为例来说明电动机的 调节特性。 在不刮风或风力很小时， 电动机的负载转矩主要是 动摩擦转矩TL加上电机本身的阻转矩T0。 在转速比较低的条件下， 可以认为
动摩擦转矩和转速无关，是不变的。 因此， 总阻转矩Ts 是一个常数。
负载转动惯量的影响当电机在系统中带动负载时其转动惯量应该包括负载通过传动比折合到电动机轴上的转动惯量j放大器内阻的影响当电机是由直流放大器提供控制信号时如同在分析放大器内阻对机械特性的影响一样这时电枢回路的电阻中应包括放大器的内阻r即总的电枢回路电阻为r这样一来电机机电时间常数表示式32可以看出负载惯量越大或放大器内阻越大则机电时间常数亦越大过渡过程的时间就越长
伺服 电机
第三节直流伺服驱动控制直流伺服电动机是用直流电信号控制的执行元件，它的功能是将输入的电压控制信号，快速转换为轴上的角位移或角速度输出。
直流伺服电动机具有线性调速范围宽、信号响应迅速、无控制电压立即停转、堵转转矩大等特点，作为驱动元件被广泛应用于数控闭环(或半闭环)进给系统中。
以直流伺服电机作为驱动元件的伺服系统称为直流伺服系统。
一、直流伺服电动机的工作原理及类型1．工作原理直流电机的工作原理是建立在电磁力定律基础上的，电磁力的大小与电机中的气隙磁场成正比。
直流电机的工作原理如图3–12所示，位于磁场中的线圈abcd 的a端和d端分别连接于各自的换向片上，换向片又分别通过静止的电刷A和B 与直流电源的两极相连。
当电流通过线圈时，产生电磁力和电磁转矩，使线圈旋转，线圈转动的同时，abcd的两个相连的换向片的位置产生变化，从而改变了所接触的电源极性，维持线圈沿固定方向连续旋转。
图3–12 直流电机的工作原理图就原理而言，一台普通的直流电机也可认为就是一台直流伺服电机，因为当一台直流电机加以恒定励磁，若电枢(多相线圈)不加电压，电机不会旋转；当外加某一电枢电压时，电机将以某—转速旋转，改变电枢两端的电压，即可改变电机转速，这种控制叫电枢控制。
当电枢加以恒定电流，改变励磁电压时，同样可达到上述控制目的，这种方法叫磁场控制。
直流伺服电机一般都采用电枢控制。
直流电机的种类很多，但它们的工作原理都是一样的，但是由于功用不同，在结构和工作性能上也有所区别。
2．直流伺服电机的分类直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不同品种。
二、常用直流伺服电动及特点永磁电机和他励电机适合于数控机床，而这类电机在实际应用中，习惯上按其性能特点又有小惯量直流伺服电机和宽调速直流伺服电机之分。
直流伺服电机
2.宽调速直流伺服电机
1、结构
2.宽调速直流伺服电机
1、特点（5）
(1)高转矩 （3）动态响应好 （5）易于调试
（2）过载能力强
（4）调速范围宽，运行平稳
直流伺服电机
什么叫伺服电动机？
在伺服机构的末端，根据输入 信号来操纵或驱动负载机械的动力元件 直流伺服电动机具有起动转矩大、调速 范围宽、机械特性和调节特性线性度好、控制 方便等优点，被广泛应用在闭环或半闭环控制 的伺服系统中。
直流伺服电机
直流伺服电动机的分类
1、按结构分：永磁式和电磁式
2、 按 励 磁 分
直流伺服电机
目的：
1、了解伺服电机的结构与原理；
2、掌握直流伺服电机的特点。
内容：
一、小惯量直流伺服电机；
二、宽调速直流伺服电机。
直流伺服电机
直流电机因调速方便，较硬机械持性，所以 数控伺服系统中早有使用，但由于数控机床的特 殊要求，如：高位移精度，宽调速范围，带负载 能力强，运动稳定等，一般的直流电机不能满足 要求。因为，一般直流电机的转动惯量过大，而 其输出力矩则相对地过小，这样它的动态特性就 比较差，尤其是在低速运转条件下，这个缺点就 更为突出。因此，目前在进给伺服系统中使用的 都是近年发展起来的大功率直流伺服电机。
组或电枢绕组的接线端对调就可改变转向。
1.小惯量直流伺服电机
七、直流伺服电机驱动器
1.小惯量直流伺服电机
七、直流伺服电机驱动器
直流伺服电机 驱动器主要用于接收编 码器的反馈信号和主机 给定的速度信号，实时 地控制伺服电机电枢电 压。驱动器与伺服电机 配套使用.
驱动器的型号为：DA0D020DT64S00。
1.小惯量直流伺服电机
第一章直流伺服电机
30
第三十页，共33页。
第四节 直流伺服电机控制
PWM驱动装置控制原理图
31
第三十一页，共33页。
第四节 直流伺服电机控制
PWM控制电路功能方框图
32
第三十二页，共33页。
第四节 直流伺服电机控制
电压 命令
速度调节器
电流调节器
功率放大器
速度反馈
电流反馈
M T
33
第三十三页，共33页。
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
22
第二十二页，共33页。
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
Tem (t ) C tI a (t )
Ea (t)
60
2
C e
(t)
Tem (t )
J
d (t)
dt
Tc (t)
U
a (t)
La
dI a (t ) dt
Ra Ia (t)
Ea (t)
23
第二十三页，共33页。
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
经拉氏变换整理得：
(s)
1 Js
(Tem ( s ) Tc ( s ))
Tem ( s ) C t I a ( s )
1 I a ( s ) L a s R a (U a ( s ) E a ( s ))
E a (s)
• 第一节 直流伺服电机工作原理
• 第二节 直流伺服电机的结构 • 第三节 直流伺服电机的特性 • 第四节 直流伺服电机控制
本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性；
本章难点：直流伺服电机的动态特性。
四、教学过程：
2
第二页，共33页。
第三十页，共33页。
第四节 直流伺服电机控制
PWM驱动装置控制原理图
31
第三十一页，共33页。
第四节 直流伺服电机控制
PWM控制电路功能方框图
32
第三十二页，共33页。
第四节 直流伺服电机控制
电压 命令
速度调节器
电流调节器
功率放大器
速度反馈
电流反馈
M T
33
第三十三页，共33页。
1、直流伺服电机的静态特性:电枢控制
22
第二十二页，共33页。
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
Tem (t ) C tI a (t )
Ea (t)
60
2
C e
(t)
Tem (t )
J
d (t)
dt
Tc (t)
U
a (t)
La
dI a (t ) dt
Ra Ia (t)
Ea (t)
23
第二十三页，共33页。
第三节 直流伺服电机的特性
2、直流伺服电机的动态特性
经拉氏变换整理得：
(s)
1 Js
(Tem ( s ) Tc ( s ))
Tem ( s ) C t I a ( s )
1 I a ( s ) L a s R a (U a ( s ) E a ( s ))
E a (s)
• 第一节 直流伺服电机工作原理
• 第二节 直流伺服电机的结构 • 第三节 直流伺服电机的特性 • 第四节 直流伺服电机控制
本章重点：直流伺服电机工作原理和静态特性；
本章难点：直流伺服电机的动态特性。
四、教学过程：
2
第二页，共33页。
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UE IaRa 10
三.电枢电动势及电压平衡关系
1、电枢中的感应电动势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线
圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
11
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
根据右手定则知，E 和原通入的电流方向相反，其
来控制电动机的转速，叫磁场控制。
20
1.2.1 控制方式
1. 电枢控制 励磁磁通保持不变，改变电枢
绕组的控制电压。当电动机的负 载转矩不变时，升高电枢电压， 电机的转速就升高；反之转速就 降低。电枢电压等于零时，电机 不转。电枢电压改变极性时，电 机反转。
n
Ua IaRa
CeΦ
图1-1 电枢控制原理图
大小为：
E Cen
Ce：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
12
2. 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，
使线圈逆时针旋转。
8
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
9
直流发电机
用右手定则判 感应电动势Ea的方向
+ Ia U
–
感应电动势
E Cen
E
N
E
电枢绕组
电阻Ra
S
输出电压
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
6
二、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
–
Hale Waihona Puke S换向片直流电源
电刷
换向器
线圈
7
电刷
+ U
F N
I
F I
–
S
换向片
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
3
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
4
旋转方向
线圈中电流流动方向 换相器
Te=TL+ T0
Te CtΦIa
UEIaRa 22
1.2.2 运行特性
伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。
1. 机械特性
机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁
转矩之间的函数关系，即 Uac, nf(Te) 。
把 Te CtIa 代入式 n Ua IaRa 得
Ce
nUa TeRa
21
2．磁场控制
n
Ua IaRa
CeΦ
电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若
电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流
增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。
改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。
尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的 目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着 励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性 的，故少用。
18
三种调速方法的性能与比较：
1.改变电阻Ra只能有级调速；
2.减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，
可在基速以上作小范围的弱磁升速。 3.调节电压Ua调速能在较大的范围内无级平滑调
速。
19
直流伺服电动机的控制方式： 把控制信号作为电枢电压Ua来控制电动机的转
速，叫电枢控制。
把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通
由转矩公式可知：
(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
14
2、转矩平衡关系
电磁转矩Te为驱动转矩，在电机运行时，必须和外
加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
Te TLT0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。
15
例：
设外加电枢电压 U 一定，Te=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T e
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
Te CtΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
16
1.2.1 控制方式
UaEaIaRa
根据直流电动机转速公式:
n
Ua IaRa
CeΦ
改变E，只能改变 或 n。 ECen
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 UECeΦn，
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
13
四. 电磁转矩 1、电磁转矩
Te CtΦIa
Ct：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
直流伺服电机
1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应。 此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积 小等。
2
1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性
一、直流伺服电动机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
机座
ECen
式中： n — 转速（r/min）；
Ua — 电枢电压（V）； Ia — 电枢电流（A）； Ra — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）；
Ce— 由电机结构决定的电动势常数。
C epN /6 ( a 0)
17
调节电动机转速的三种方法：
调节电枢供电电压 Ua 改变电枢回路电阻 Ra 减弱励磁磁通
Ce CeCt2
n0kT e
n0
Ua C e
,为理想空载转速；k
Ra
CeCt 2
,为直线的斜率。
23
1.2.2 运行特性
nUa TeRa
Ce CeCt2
n0kT e
线圈 磁极
5
根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U
三.电枢电动势及电压平衡关系
1、电枢中的感应电动势 电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁 场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线
圈中产生感应电动势（用E表示）。
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
11
电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
根据右手定则知，E 和原通入的电流方向相反，其
来控制电动机的转速，叫磁场控制。
20
1.2.1 控制方式
1. 电枢控制 励磁磁通保持不变，改变电枢
绕组的控制电压。当电动机的负 载转矩不变时，升高电枢电压， 电机的转速就升高；反之转速就 降低。电枢电压等于零时，电机 不转。电枢电压改变极性时，电 机反转。
n
Ua IaRa
CeΦ
图1-1 电枢控制原理图
大小为：
E Cen
Ce：与电机结构有关的常数
：磁通
n：电动机转速
单位： （韦伯），n（转/每分），E（伏）
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2. 电枢绕组中电压的平衡关系
因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
U：外加电压 Ra:绕组电阻
+
Ra
+
Ia
U
ME
–
–
以上两公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想
由左手定则，通电线圈在磁场的作用下，
使线圈逆时针旋转。
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电刷
FE
+
N IE
U
F
I
–
S
换向片
由右手定则，线圈在磁场中旋转，将在线圈中 产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的 方向相反。
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直流发电机
用右手定则判 感应电动势Ea的方向
+ Ia U
–
感应电动势
E Cen
E
N
E
电枢绕组
电阻Ra
S
输出电压
MU
MU
M
他励
并励
串励
复励
6
二、 工作原理
电刷
+ U
N I
I
–
Hale Waihona Puke S换向片直流电源
电刷
换向器
线圈
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电刷
+ U
F N
I
F I
–
S
换向片
换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。
注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转 动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。
磁极
转子
励磁 绕组
励磁式直流电动机结构
3
1. 转子（又称电枢） 由铁芯、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子 定子的分类： 永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
励磁的定义：磁极上的线圈通以直流电 产生磁通，称为励磁。
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旋转方向
线圈中电流流动方向 换相器
Te=TL+ T0
Te CtΦIa
UEIaRa 22
1.2.2 运行特性
伺服电动机的运行特性包括机械特性和调节特性。
1. 机械特性
机械特性是指电枢电压等于常数时，转速与电磁
转矩之间的函数关系，即 Uac, nf(Te) 。
把 Te CtIa 代入式 n Ua IaRa 得
Ce
nUa TeRa
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2．磁场控制
n
Ua IaRa
CeΦ
电枢绕组电压保持不变，改变励磁回路的电压。若
电动机的负载转矩不变，当升高励磁电压时，励磁电流
增加，主磁通增加，电机转速就降低；反之，转速升高。
改变励磁电压的极性，电机转向随之改变。
尽管磁场控制也可达到控制转速大小和旋转方向的 目的，但励磁电流和主磁通之间是非线性关系，且随着 励磁电压的减小其机械特性变软，调节特性也是非线性 的，故少用。
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三种调速方法的性能与比较：
1.改变电阻Ra只能有级调速；
2.减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，
可在基速以上作小范围的弱磁升速。 3.调节电压Ua调速能在较大的范围内无级平滑调
速。
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直流伺服电动机的控制方式： 把控制信号作为电枢电压Ua来控制电动机的转
速，叫电枢控制。
把控制信号加在励磁绕组上，通过控制磁通
由转矩公式可知：
(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 (2)改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者
改变磁通的方向。
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2、转矩平衡关系
电磁转矩Te为驱动转矩，在电机运行时，必须和外
加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即
Te TLT0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时， 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁 转矩自动调整，以实现新的平衡。
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例：
设外加电枢电压 U 一定，Te=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：
TL
n
E
T e
Ia
最后达到新的平衡点。
UEIaRa
Te CtΦIa
与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入
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1.2.1 控制方式
UaEaIaRa
根据直流电动机转速公式:
n
Ua IaRa
CeΦ
改变E，只能改变 或 n。 ECen
(2)若忽略绕组中的电阻Ra，则 UECeΦn，
可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
比，通过改变 可调速。
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四. 电磁转矩 1、电磁转矩
Te CtΦIa
Ct：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流 单位： （韦伯），Ia（安培），T（牛顿•米）
直流伺服电机
1.1概述
3. 控制系统对伺服电动机的基本要求
宽广的调速范围 机械特性和调节特性均为线性 无“自转”现象 快速响应。 此外，还要求伺服电动机的控制功率小、重量轻、体积 小等。
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1.2 直流伺服电动机的控制方式和运行特性
一、直流伺服电动机的构成
直流电机由定子、转子和机座等部分构成。
机座
ECen
式中： n — 转速（r/min）；
Ua — 电枢电压（V）； Ia — 电枢电流（A）； Ra — 电枢回路总电阻（）； — 励磁磁通（Wb）；
Ce— 由电机结构决定的电动势常数。
C epN /6 ( a 0)
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调节电动机转速的三种方法：
调节电枢供电电压 Ua 改变电枢回路电阻 Ra 减弱励磁磁通
Ce CeCt2
n0kT e
n0
Ua C e
,为理想空载转速；k
Ra
CeCt 2
,为直线的斜率。
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1.2.2 运行特性
nUa TeRa
Ce CeCt2
n0kT e
线圈 磁极
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根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：
他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。
并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。
串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。
复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。
If
Ia
If
Uf M U U